Dispositivos utilizados para medir temperatura - feis.unesp.br · AB(T) + e BC(T 2) e AC(T 2) ......

TTTEEERRRMMMOOOPPPAAARRREEESSS Dispositivos utilizados para medir temperatura

Gustavo Monteiro da Silva Professor Adjunto – Área Científica de Instrumentação e Medida

ESTSetúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal

R. do Vale de Chaves, Estefanilha, 2914-508 SETÚBAL, PORTUGAL Tel: 265 790 000, Fax: 265 721 869, E-mail: [email protected]

2

TTTEEERRRMMMOOOPPPAAARRR ––– EEEFFFEEEIIITTTOOO DDDEEE SSSEEEEEEBBBEEECCCKKK

Termopar – elemento primário de medida de temperatura constituído por dois materiais diferentes ligados um ao outro.

(OMEGA ENGINEERING INC.)

Junção – ligação dos materiais por aperto ou por soldadura

Termopares industriais – dois materiais metálicos, soldados um ao outro

( , , )TABe f matA matB T= (f. biunívoca) Efeito termoeléctrico de Seebeck

Obtenção da temperatura: mede-se u (= TABe ) e pela relação anterior calcula-se T

por tabela (pág.10) ou por fórmula. O termopar é um sensor activo.

Material A

Material BJunção eAB

Tu

3

OOOUUUTTTRRROOOSSS EEEFFFEEEIIITTTOOOSSS TTTEEERRRMMMOOOEEELLLÉÉÉCCCTTTRRRIIICCCOOOSSS Efeito de Peltier: Libertação (absorção) de calor numa junção percorrida por uma corrente eléctrica

P ABQ Iπ= ABπ - coeficiente de Peltier Efeito de Thomson: Libertação (absorção) de calor num condutor onde existe gradiente de temperatura

1 2( )TQ I T Tσ= − σ - coeficiente de Thomson

⇓ IQP

mat A mat Bjunção

QT T2

I T1

⇑ QT T2

I T1

⇓

I

mat A

QP

mat Bjunção

⇑

4

IIINNNTTTEEERRRDDDEEEPPPEEENNNDDDÊÊÊNNNCCCIIIAAA DDDOOOSSS EEEFFFEEEIIITTTOOOSSS TTTEEERRRMMMOOOEEELLLÉÉÉCCCTTTRRRIIICCCOOOSSS

1. Junção 1 a T1 eAB(T1) (Seebeck)

2. Junção 2 a T2 eAB(T2) (Seebeck)

3. eAB(T1) e eAB(T2) I (Ohm)

4. I nas junções origina libertação/absorção de calor T1 e T2 mudam (Peltier)

5. I nos condutores origina libertação/absorção de calor T1 e T2 também mudam (Thomson)

material A

material B

Junção 1T1

Junção 2T2

I

eAB(T1) eAB(T2)

5

FFFOOORRRÇÇÇAAA EEELLLEEECCCTTTRRROOOMMMOOOTTTRRRIIIZZZ DDDEEE SSSEEEEEEBBBEEECCCKKK

EAB(T) é: nula ao zero absoluto crescente com T, quase uma recta: AB ABE Tα= , αAB quase constante

Tmax ≈ 500 a 2500 ºC, consoante os metais do termopar EAB max ≈ 10 a 80 mV

Para cada termopar (par A,B) conhecido EAB sabe-se T: EAB(T) T

Sensibilidade da junção: ABAB

dESdT

α= = (da ordem de μV/ºC)

EAB(T)

/mV

T /K00

→ ←

6

MMMEEEDDDIIIÇÇÇÃÃÃOOO DDDAAA FFF...EEE...MMM... DDDEEE SSSEEEEEEBBBEEECCCKKK

Primeira sugestão – utilização de um voltímetro de CC:

Junção de medida: (A,B), à temperatura T

Junções introduzidas com os cabos do voltímetro: (A,C) e (B,C)

F.e.m. de Seebeck: eAB(T), eAC(T2), eBC(T2)

Tensão lida pelo voltímetro: u = – eAC(T2) + eAB(T) + eBC(T2)

eAC(T2) ≠ eBC(T2) ⇒ u ≠ eAB(T)

eBC(T2) ≠ eAC(T2) vai corresponder a um erro na medida

Mat. A

Junção

TeAB(T)

Mat. B

Mat. C

Mat. C

T2

T2

eAC

eBC

u V

7

EEELLLIIIMMMIIINNNAAAÇÇÇÃÃÃOOO DDDAAASSS FFF...EEE...MMM... IIINNNDDDEEESSSEEEJJJÁÁÁVVVEEEIIISSS

Solução utilizada – Introdução de uma junção de referência

Tensão lida pelo voltímetro: u(T) = – eBC(T2) – eAB(TR) + eAB(T) + eBC(T2) = eAB(T) – eAB(TR) Está definido (ANSI(1), ISA(2), DIN, CEI) que TR = 0 ºC Resultado obtido – u(T) não depende dos cabos de ligação ao voltímetro

T < 0 ºC u < 0, T = 0 ºC u = 0, T > 0 ºC u > 0, 1 ANSI - American National Standards Institute 2 Instrumentation Systems and Automation Society.

Ajunção de medida

T eAB(T)

B eBCeBC C

T2

Vu

junção de referência

TReAB(TR)

B C

8

TTTEEERRRMMMOOOPPPAAARRREEESSS NNNOOORRRMMMAAALLLIIIZZZAAADDDOOOSSS

Nomes de termopares normalizados (tipos de termopares)

Tensões de saída, usando uma junção de referência a 0 ºC

nome Constituição Gama de Temperatura

B Platina / 30% Ródio-Platina 0–1800 ºCC Tung-5% Rénio/Tung-26% Rénio 0–2320 ºCE Cromel / Constantan -270–1000 ºCG Tungsténio/ Tung-26% Rénio 0–2300 ºCJ Ferro / Constantan -210–750 ºCK Cromel / Alumel -270–1370 ºCN Nicrosil /Nisil -270–1300 ºCR Platina / 13%Ródio-Platina -50–1750 ºCS Platina / 10%Ródio-Platina -50–1750 ºCT Cobre / Constantan -270–400 ºC

Constantan = Cobre-Níquel Cromel = Níquel-Crómio Nisil = Ni-Si-Mg Alumel = Níquel-Alumínio Nicrosil = Ni-Cr-Si

Tipo E

Tipo J

Tipo K

Tipo T S Tipo R

Tipo B

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-250 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750

Temperatura /ºC

Tens

ão

/mV

9

TTTAAABBBEEELLLAAASSS DDDEEE TTTEEERRRMMMOOOPPPAAARRREEESSS (((TTTeeerrrmmmooopppaaarrr tttiiipppooo JJJ ---222111000:::777555000 ºººCCC pppaaarrrttteee dddeee tttaaabbbeeelllaaa)))

T (ºC) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 T (ºC) … … … … … … … … … … … … … 0 0,000 0,050 0,101 0,151 0,202 0,253 0,303 0,354 0,405 0,456 0,507 0

10 0,507 0,558 0,609 0,660 0,711 0,762 0,813 0,865 0,916 0,967 1,019 10 20 1,019 1,070 1,122 1,174 1,225 1,277 1,329 1,381 1,432 1,484 1,536 20 30 1,536 1,588 1,640 1,693 1,745 1,797 1,849 1,901 1,954 2,006 2,058 30 40 2,058 2,111 2,163 2,216 2,268 2,321 2,374 2,426 2,479 2,532 2,585 40 50 2,585 2,638 2,691 2,743 2,796 2,849 2,902 2,956 3,009 3,062 3,115 50 60 3,115 3,168 3,221 3,275 3,328 3,381 3,435 3,488 3,542 3,595 3,649 60 70 3,649 3,702 3,756 3,809 3,863 3,917 3,971 4,024 4,078 4,132 4,186 70 80 4,186 4,239 4,293 4,347 4,401 4,445 4,509 4,563 4,617 4,671 4,725 80 90 4,725 4,780 4,834 4,888 4,942 4,996 5,050 5,105 5,159 5,213 5,268 90

100 5,268 5,322 5,376 5,431 5,485 5,540 5,594 5,649 5,703 5,758 5,812 100 110 5,812 5,867 5,921 5,976 6,031 6,085 6,140 6,195 6,249 6,304 6,359 110 120 6,359 6,414 6,468 6,523 6,578 6,633 6,688 6,742 6,797 6,852 6,907 120 130 6,907 6,962 7,017 7,072 7,127 7,182 7,237 7,292 7,347 7,402 7,457 130 140 7,457 7,512 7,567 7,622 7,677 7,732 7,787 7,843 7,898 7,953 8,008 140 150 8,008 8,063 8,118 8,174 8,229 8,284 8,339 8,394 8,450 8,505 8,560 150 160 8,560 8,616 8,671 8,726 8,781 8,837 8,892 8,947 9,003 9,058 9,113 160 170 9,113 9,169 9,224 9,279 9,335 9,390 9,446 9,501 9,556 9,612 9,667 170 180 9,667 9,723 9,778 9,834 9,889 9,944 10,000 10,055 10,111 10,166 10,222 180 190 10,222 10,277 10,333 10,388 10,444 10,499 10,555 10,610 10,666 10,721 10,777 190 200 10,777 10,832 10,888 10,943 10,999 11,054 11,110 11,165 11,221 11,276 11,332 200

… … … … … … … … … … … … …

Valores da tabela, u(T). Tensões em mV Referência a 0 ºC

10

LLLEEEIIISSS DDDEEE UUUTTTIIILLLIIIZZZAAAÇÇÇÃÃÃOOO DDDOOOSSS TTTEEERRRMMMOOOPPPAAARRREEESSS /// 111

1. Dois metais, duas junções

Um circuito utilizando termopares deve

conter pelo menos:

• dois materiais distintos, • duas junções.

2. Independência da temperatura do percurso A tensão de saída do termopar, u:

• depende apenas das temperaturas das junções,

• é independente da forma como a temperatura se

distribui pelos condutores, desde que nestes

não haja corrente eléctrica. u

T eAB(T)

J refTReAB(TR)J med

T1 T3 T4 T5 T6T2

u

mat AT

eAB(T) junção de referência

TR

eAB(TR)junção de

medida mat Bmat B

11


3. Metais intermédios nas ligações Se um terceiro material homogéneo for inserido no condutor A ou no condutor B de um circuito com termopares, a

tensão de saída u permanece inalterável, desde que as novas junções estejam à mesma temperatura (T2 = T1).

=

4. Metais intermédios nas junções A colocação de um material intermediário numa junção (medida ou referência) não afecta a tensão de saída u,

desde que as novas junções assim criadas sejam mantidas à mesma temperatura.

=

u

mat AT

J refTR

mat Bmat B

J med

u

mat AT

J ref TR

mat Bmat B

J med

mat Cmat A

T1 T2

u

mat AT

J refTR

mat Bmat B

J med u

mat AT

J ref

T3

mat Bmat B

J medT3

mat D

12


5. Lei das temperaturas sucessivas Se um circuito de termopares com temperaturas T1 e T2 origina a tensão de saída u1,2 = f (T1,T2), e exposto a T2 e T3

produz uma tensão u2,3 = f (T2,T3), o mesmo circuito às temperaturas T1 e T3 originará uma tensão de saída

1,3 1 3 1,2 2,3( , )u f T T u u= = + .

6. Lei dos metais sucessivos Um termopar constituído pelos materiais A e C e com as junções expostas às temperaturas T1 e T2 gera uma tensão

uA,C. Um circuito semelhante construído de materiais C e B gera, às mesmas temperaturas, uC,B. Um 3º termopar,

semelhante na configuração, e fabricado com os materiais A e B, dará, às mesmas temperaturas , , ,A B A C C Bu u u= +

= +T3

mat. B mat. B

mat. A

T1

u1,3 T2

mat. B mat. B

mat. A

T1

u1,2

T3

mat. B mat. B

mat. A

T2

u2,3

= +T2

mat. B mat. B

mat. A

T1

uA,B T2

mat. C mat. C

mat. A

T1

uA,C

T2

mat. B mat. B

mat. C

T1

uC,B

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TTTEEEMMMPPPEEERRRAAATTTUUURRRAAA DDDEEE RRREEEFFFEEERRRÊÊÊNNNCCCIIIAAA

1. Colocar a junção de referência em gelo fundente

Este método é: • Muito preciso - usado pelo NBS(3) para a produção de tabelas de termopares • Pouco prático para ser usado na indústria

3 National Bureau of Standards

voltímetro

u0

gelo fundente

bloco isotérmico

J3

Tmed J4

ur

um

14


2. Medir a temperatura da junção de referência e compensar por software

Passos a seguir Vantagens / inconvenientes

1. Mede-se RT. Converte-se RT UREF O bloco isotérmico + RT servem para vários termopares (~20)

2. Mede-se Um. Calcula-se U0 = Um+ UREF Exige computador, que poderá estar longe do termopar (~100 m)

3. Converte-se U0 em temperatura Poderá ser lento, se houver muitos termopares (~1000)

voltímetro

u0

Tmed

um

termistor

bloco isotérmico

RT

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3. Medir a temperatura da junção de referência e compensar por hardware

• Serve apenas para um termopar • É rápido e pode ser feito junto do termopar • É o método actualmente utilizado: bloco e transmissor incorporados na cabeça do sensor

Tmed

ur

sensor de temperatura em circuito integrado

bloco isotérmico

exemplo prático

u0

16

TTTEEEMMMPPPEEERRRAAATTTUUURRRAAA DDDOOO OOOBBBJJJEEECCCTTTOOO

1. Converter a tensão uo directamente através dos coeficientes polinomiais (4)

T = a0 + a1uo + a2uo

2 + a3uo3+ a4uo

4 + … (u0 / V, T / ºC)

Coef. Tipo de termopar ↓ Tipo E Tipo J Tipo K Tipo R Tipo S Tipo T - 100 a 1000 ºC 0 a 760 ºC 0 a 1370 ºC 0 a 1000 ºC 0 a 1750 ºC - 160 a 400 ºC

a0 0,104967248 -0,048868252 0,226584602 0,263632917 0,927763167 0,100860910 a1 17189,45282 19873,14503 24152,10900 179075,491 169526,5150 25727,94369 a2 - 282639,0850 - 218614,5353 67233,4248 - 48840341,37 - 31568363,94 - 767345,8295 a3 12695339,5 11569199,78 22110340,682 190002 E+10 8990730663 78025595,81 a4 - 448703084,6 - 264917531,4 - 860963914,9 - 482704 ×10+12 - 1,63565 ×10+12 - 9247486589 a5 1,10866 ×10+10 2018441314 4,83506 E+10 7,62091 ×10+14 1,88027 ×10+14 6,97688 ×10+11 a6 -1,76807 ×10+11 - 1,18452 ×10+12 - 7,20026 ×10+16 - 1,37241 ×10+16 - 2,66192 ×10+13 a7 1,71842 ×10+12 1,38690 ×10+13 3,71496 ×10+18 6,17501 ×10+17 3,94078 ×10+14 a8 -9,19278 ×10+12 - 6,33708 ×10+13 - 8,03104 ×10+19 - 1,56105 ×10+19 a9 2,06132 ×10+13 1,6953 ×10+20

• Para cobrir a gama do termopar com um erro inferior a 1 º C são necessários 9 coeficientes • Computacionalmente pesado.

4 Coeficientes para os termopares padrão, fornecidos pela NBS

17

TTTEEEMMMPPPEEERRRAAATTTUUURRRAAA DDDOOO OOOBBBJJJEEECCCTTTOOO

2. Usar o termopar numa gama restrita e considerá-lo linear • O desempenho satisfaz para os termopares mais lineares (ex., tipo K)

• Pode fazer-se a conversão linear directamente com um voltímetro ou um “DAQ”

3. Dividir a gama em sectores e converter com polinómio ordem de baixa • Obtém-se a precisão do 1º método, com muito maior rapidez

• Divide-se a gama de medida (do termopar) em 8 sectores

• Utiliza-se um polinómio do 3º grau para cada sector (coeficientes diferentes dos anteriores)

• É o método usado na indústria:

no software dos sistemas de aquisição de dados, respeitante aos termopares

nos transmissores inteligentes.

18

CCCAAABBBOOOSSS DDDEEE EEEXXXTTTEEENNNSSSÃÃÃOOO

Junção de medida – no campo Junção de referência – na sala de armários

Distância entre as junções de medida e de referência – da ordem de 100 m

Ligações entre estas junções: por meio de cabos de extensão (ou cabos de compensação)

Características – propriedades termoeléctricas equivalentes às dos metais dos termopares.

Porquê cabos de extensão em vez dos termopares? – flexíveis e de preço mais acessível

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RRREEEJJJEEEIIIÇÇÇÃÃÃOOO DDDOOO RRRUUUÍÍÍDDDOOO (Note-se que a sensibilidade de um termopar é da ordem dos microvolt/ºC)

Acções a tomar (no projecto, na instalação)

1. Usar cabos curtos, se possível com o conversor junto do termopar

2. Passar os cabos de sinal longe de cabos de potência

3. Usar cabos de extensão adequados, que não devem ser muito apertados

4. Utilização de cabos de sinal blindados, convenientemente ligados à terra

5. Efectuar uma filtragem analógica do sinal

6. Usar amplificadores com rejeição de modo comum elevada

7. Agrupar os cabos dos sinais de entrada de acordo com as cartas do “DCS”

8. Usar termopares adequados à atmosfera, com a junção soldada de origem

9. Quando possível, usar termopares com sensibilidade elevada

20

AAASSSPPPEEECCCTTTOOOSSS CCCOOONNNSSSTTTRRRUUUTTTIIIVVVOOOSSS /// 111

bainha auxiliar

extensão cabeça

bainha

tampa terminais

junção (no interior)

21


Nas aplicações em que se mede a temperatura de água ou de vapor a alta pressão é obrigatório usar-se uma

bainha auxiliar de protecção, designada por “thermowell”, que deve ser soldada ao processo.

22


← bainhas cerâmicas

dimensões reduzidas →

corte nas bainhas

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